[发明专利]一种全数字波束成形阵列及实现收发通道幅度、相位自动校准方法

权利要求书

1.根据一种全数字波束成形阵列实现的收发通道幅度、相位自动校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)记校准通道(3)和(4)为P₁、P₂，天线系统处于发射状态发射校准信号，两校准通道P₁、P₂处于接收状态，依次激励各发射通道，并记录耦合传输线两端的校准通道接收到的信号幅度大小和相位；

(2)利用路径对称和各单元到耦合传输线的耦合量约相等的特性，计算相邻两个发射通道的通道幅度和相位差，用矢量β^t_n,n+1表示；

(3)计算出所有发射通道相对于参考通道的幅度和相位差，用矢量α^t_L,n表示，完成发射通道自校准；

(4)天线系统处于接收状态，首先只激励一侧校准通道P₁，另一侧校准通道P₂处于接收状态用于校准信号匹配，记录阵列中每个接收通道采样得到的耦合信号幅度大小和相位值；

(5)只激励校准通道P₂，校准通道P₁处于接收状态，同样记录每个接收通道采样得到的耦合信号幅度大小和相位，再次利用路径对称和各单元到耦合传输线的耦合量约相等的特性，计算出相邻接收通道幅度和相位差，用矢量β^r_n,n+1表示；

(6)计算出所有接收通道相对于参考通道的幅度和相位差，用矢量α^r_L,n表示，完成接收通道的自校准；

所述一种全数字波束成形阵列包括天线单元(1)、耦合传输线(2)、具有收发模式的校准通道(3)和(4)、阵列收发通道(5)，阵列规模为1×N，N为通道总数；所述天线单元(1)与收发通道(5)一一对应连接，并且天线单元(1)和收发通道(5)作为整体等间距周期性重复排列成阵；耦合传输线(2)位于阵列天线口径面上，耦合传输线(2)到每个天线单元(1)位置一定，在耦合传输线(2)两端均接有具有收发模式的校准通道(3)和(4)，且整个天线结构对称；

步骤(2)中，计算出相邻两个发射通道的通道幅度和相位差，方法如下：

(2.1)将全数字波束成形阵列收发通道从左至右依次编号1,2，…,N，N表示通道总数，随机选择一个编号为L的通道作为参考通道，根据此参考通道进行校准得到的所有发射、接收通道的幅度、相位值；

(2.2)假设T_n表示阵列中第n个发射通道的通道状态信息，n∈N，其相位和幅度是随机量，需校准求解，C_n表示第n个天线单元到传输线的耦合量，L_jn表示第n个发射通道的发射信号耦合到传输线上之后，经过传输线的传输，直到被第j个校准通道采样的路径，j＝1，2，也即P₁、P₂；

(2.3)在t₁时刻,只有第n个发射通道被激励，其余通道处于未被激励状态或通道衰减值最大状态，天线与耦合传输线间的耦合信号将被校准通道P₁和P₂采集，采样信号分别用a_n，b_n表示为：

其中，a_n表示第n个发射通道的信号耦合到传输线后，经过传输被校准通道P₁采集得到的信号；b_n表示第n个发射通道的信号耦合到传输线后，经过传输被校准通道P₂采集得到的信号；δ_n+1,n表示第n个通道相对于第n+1个通道的发射校准信号由于传输路径不同造成的校准通道P₂采样信号值之间的差异，下标有方向性，其与天线S散射参数关系可表示为：

其中，表示第n个发射通道发射的信号传输到P₂校准通道的传输量，表示第n+1个发射通道的发射信号传输到P₂校准通道的传输量；

(2.4)在t₂时刻，只有第n+1个通道被激励，其余通道处于未被激励状态或通道衰减值最大状态，天线与传输线间的耦合信号将被校准通道P1和P2采集，a_n+1表示第n+1个发射通道的信号耦合到传输线后，经过传输被校准通道P₁采集得到的信号；b_n+1表示第n+1个发射通道的信号耦合到传输线后，经过传输被校准通道P₂采集得到的信号；δ_n,n+1表示第n+1个通道相对于第n个通道的发射信号由于传输路径不同造成的校准通道P₁采样信号值之间的差异，下标有方向性，a_n+1,b_n+1的值可以表示为：

在阵列中天线单元是相同的，且整个阵列结构对称，有以下假设成立：

C_n≈C_n+1，δ_n+1,n≈δ_n,n+1(8)

结合假设(8)，用(6)/(3)，(7)/(4)，得到：

进一步，得到：

将κ_n,n+1的幅度用dB表示为(12)，角度用rad表示为(13)：

其中，mag_dB表示矢量信号取幅度，且表示为dB形式，arg表示矢量信号取角度；相邻通道的校准因子β^t_n,n+1表示为：

β^t_n,n+1是矢量也是相对量，其表达形式为其幅度代表第n+1个发射通道相对于第n个发射通道的幅度差，相位代表第n+1个发射通道相对于第n个发射通道的相位差；

假设β^t_n,n+1＝T_n+1/T_n＝κ_n,n+1，将其代入公式(9)中，得到真正要求的δ_n,n+1的推测值δ’_n,n+1，该推测值δ’_n,n+1与真实值δ_n,n+1的关系表示为：

即δ_n,n+1的推测值δ’_n,n+1与其真实值比较，幅度相同，相位上存在π的模糊；

(2.5)通过仿真得到天线阵列的S参数，将仿真结果作为判断依据，排除掉推测值δ’_n,n+1中相位存在π模糊的值，从而得到真正的δ_n,n+1与β^t_n,n+1；

(2.6)依次类推，得到所有发射通道的相邻通道校准因子β^t_i,i+1，其中，i＝1,2,..,N-1，N代表通道总数；

步骤(3)中完成发射通道自校准，方法如下：阵列中第n个发射通道相对于参考通道的通道校准系数α^t_L,n可以表示为：

至此，可以完成所有发射通道相对于参考通道L的幅度、相位校准，也即完成了整个阵列发射通道的幅度、相位自校准过程。